多層次“月球探究”主題天文實(shí)踐活動

□ 江蘇省天一中學(xué) 沈新榮

多層次“月球探究”主題天文實(shí)踐活動

□ 江蘇省天一中學(xué) 沈新榮

中學(xué)天文社團(tuán)不僅承擔(dān)著滿足學(xué)生天文愛好者理論學(xué)習(xí)和觀測實(shí)踐需要的責(zé)任，而且應(yīng)該在更多的維度開展全方位的科普、教育和基礎(chǔ)研究啟蒙活動。但我們在無錫市中小學(xué)天文聯(lián)合會、全國中學(xué)生天文奧林匹克競賽、全國天文社團(tuán)發(fā)展論壇等多個平臺與許多學(xué)校的師生交流的過程中，發(fā)現(xiàn)大家在拓寬天文實(shí)踐活動的形式方面存在普遍性的困難。為此，我們在總結(jié)社團(tuán)各類活動的過程中，整理、策劃了多個主題的天文實(shí)踐活動方案，如“多層次城市夜空光度測量科技教育活動”“多層次‘月球探究’主題天文實(shí)踐活動”等。

下面我以“多層次‘月球探究’主題天文實(shí)踐活動”為例，結(jié)合天一天文社社團(tuán)理事會的組織架構(gòu)，向大家簡單介紹活動開展的情況

天一天文社社團(tuán)理事會下屬有四個工作室，分別負(fù)責(zé)社團(tuán)的文化類課程、科普型課程、基礎(chǔ)型課程和研究型課程，各工作室的主要工作分工可參見表1。在“月球探究”主題活動中，各工作室根據(jù)自己的工作屬性，策劃組織了形式多樣、受眾各異、面廣度深的多個活動，具體可參見表1。

基于“月球探究”的主題，加賀谷穰工作室在錫城天文科普雜志《坐井記》上編排了一組“從阿姆斯特朗到嫦娥”主題的文章，組織了“明月幾時有”攝影大賽。

圖1 《坐井記》特別企劃：從阿姆斯特朗到嫦娥

為增進(jìn)公眾對人類探月的歷史及其所取得的成就的了解，我們在《坐井記》上安排了一期“從阿姆斯特朗到嫦娥”主題的特別企劃，整理編寫了一組文章：《人類探月史》《阿波羅11號》《現(xiàn)代月球探測歷史以及未來展望》《嫦娥工程》。通過系列文章，我們梳理了自1959年蘇聯(lián)“月球一號”起人類發(fā)射的全部探月航天器，介紹了人類首次登月任務(wù)——阿波羅11號從發(fā)射到返回的詳細(xì)過程，展望了現(xiàn)代月球探測及中國嫦娥探月工程的概況。

為提升公眾欣賞月球之美的能力，我們發(fā)起了“明月幾時有”攝影大賽，邀請公眾使用手機(jī)、照相機(jī)等工具捕捉各種月球相關(guān)的圖片，并進(jìn)行評審與頒獎。比賽的主題粗分為“風(fēng)景攝影”“細(xì)節(jié)攝影”等兩個方面，評審標(biāo)準(zhǔn)包括“視覺美感”“表達(dá)技巧”“手法創(chuàng)意”等多個角度。

表1 各工作室基于“月球探究”主題的活動設(shè)計

基于“月球探究”的主題，伽利略工作室針對不同年齡段的受眾，開發(fā)了多個難度各異、層層遞進(jìn)的小實(shí)驗(yàn)與小制作。

針對低齡的幼兒園小朋友，我們設(shè)計了“奧利奧月相”小制作，教導(dǎo)小朋友們利用4塊奧利奧奶油夾心餅干來制作8種不同的月相。具體步驟有：將奧利奧餅干扭開，取沒有任何夾心的一面做新月，取有完整夾心的一面做滿月；將某一面上的完整夾心平分后，轉(zhuǎn)移一半到?jīng)]有任何夾心的另一面上，制作出上弦月、下弦月；采用相似的方法，依次制作出峨眉月和虧凸月，殘月和盈凸月；將8種月相的餅干按變化次序擺放在塑料盤中。

針對兼具好奇心和耐心的小學(xué)生，我們設(shè)計了新“小豬找月亮”小實(shí)驗(yàn)，指導(dǎo)同學(xué)們關(guān)注月球的月相變化和升起時間的推遲規(guī)律。我們邀請同學(xué)們在農(nóng)歷初四峨眉月之夜的晚七點(diǎn)開始這個“找月亮”的小實(shí)驗(yàn)，通過窗戶找到月亮，在紙上記錄好此刻的時間、月亮在天空中的方位和高度，并描繪出月亮的形狀（月相）；第二天夜晚的同一時刻，再次通過窗戶尋找月亮，記錄并描繪出月亮的方位、高度和形狀；在后續(xù)的十來天時間里，持續(xù)地通過窗戶尋找月亮，記錄并描繪月亮的相關(guān)信息；通過比較這一段時間內(nèi)月亮的方位和高度來推測每天月亮從東方地平線上升起的時間，通過月亮的形狀推測月亮與太陽、地球間的相對位置關(guān)系，遇到不懂的問題要求及時向家長或老師求教。

針對有一定數(shù)理知識和實(shí)驗(yàn)技能的中學(xué)生，我們設(shè)計了“月坑成因探究”模擬實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生思考月坑的特征與隕石撞擊間的相關(guān)性。我們將粗砂以10∶1的比率與水混合后，均勻盛放入40厘米×30厘米×6厘米的堅固塑料盒中，模擬月球地表；將高爾夫球（及乒乓球）處理后，通過棉線懸掛在鐵架臺上，模擬隕石體；剪斷棉線，使隕石體自由落體運(yùn)動，撞擊月面，形成隕石坑；用小磁鐵將隕石體吸出后，在月面上均勻潑灑熟石膏，待其硬化后，用尺測量并記錄各個月坑的直徑、深度，同時拍照保存。通過調(diào)整隕石體的體積、質(zhì)量和密度，隕石體懸掛的高度（沖擊的力度與速度），形成不同深度及直徑的隕石坑，從而獲得影響月坑形成的關(guān)鍵因素。

基于“月球探究”的主題，達(dá)蓋爾工作室開設(shè)了“日月食原理和觀測”校本課程，并組織了“月面觀測”活動。

在“日月食原理和觀測”一章中，我們編排了“奧賽考試要求”“理論學(xué)習(xí)資料”“歷年考題解析”等三個版塊。該章節(jié)的主要知識點(diǎn)包括：月球與月面、潮汐鎖定、天平動、月相、黃白交角與黃赤交角、日出日落方位、掩與凌、日月食原理、日月食發(fā)生的條件與次數(shù)、日月食的食相、食分、沙羅周期等。同學(xué)們通過校本課程的學(xué)習(xí)，深入了解了月陸、月海的比例及分布、主要環(huán)形山的名稱及位置，月食的成因及頻率等基礎(chǔ)知識，提高了對月球的理性認(rèn)知。

我們通過“天一觀星營”活動，帶領(lǐng)社員前往江蘇無錫十八灣、盱眙鐵山寺，浙江安吉天荒坪、舟山朱家尖等地開展月面觀測及攝影活動。截至2016年2月，我們已舉辦過42期野外觀星活動，累計參與活動人次近千。通常我們會利用觀星營的頭一個白天進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡安裝及調(diào)試、單反相機(jī)及天文攝影的入門教學(xué)，頭一個晚上開展目視觀星、望遠(yuǎn)鏡觀測、手繪月面、天文攝影的教學(xué)；第二天白天和晚上則是分組練習(xí)，觀測和拍攝實(shí)踐；活動結(jié)束后，我們將會利用校本課程時間指導(dǎo)社員使用Lightroom、LRTimelapse、Startrails等軟件對照片進(jìn)行后期處理。

圖2 天一觀星營G28：太湖大堤之夜

基于“月球探究”的主題，斯科特工作室組織了“月球年代學(xué)”“月球隕石坑探究”等課題的研究。

地質(zhì)學(xué)中有三種主要的確定相對地質(zhì)年代的方法：地層學(xué)方法（地層層序律）、古生物學(xué)方法（化石層序律）、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法（切割律）。天文學(xué)家在對月面不同地區(qū)的地質(zhì)年齡進(jìn)行測算時，除對人造探測器從月球帶回的巖石和土壤樣本進(jìn)行分析外，一般也是通過地層層序律的方法。我們帶領(lǐng)課題組的同學(xué)，對美國地質(zhì)調(diào)查局的Shoemaker和Hackman在1962年利用威爾遜山天文臺提供的哥白尼區(qū)域影像圖研究過的5個地質(zhì)年代開展了模仿探究。最終的研究結(jié)果向我們講述了這樣一個故事：很久以前，一顆直徑可達(dá)100km的巨大隕石體撞擊月球并形成了雨海及其邊緣的亞平寧山脈、阿爾卑斯山脈和喀爾巴阡山脈；之后大量的隕石體不斷撞擊雨海地區(qū)，形成了包括阿基米德環(huán)形山在內(nèi)的許多月坑；接著是大量的火山熔巖填滿了雨海地區(qū)，阿基米德環(huán)形山的底部及其輻射紋也被掩蓋；再往后又有一些隕石體撞擊該地區(qū)并在火山熔巖之上形成了艾拉托斯特尼環(huán)形山、奧托呂科斯環(huán)形山和哥白尼環(huán)形山。

我們還帶領(lǐng)社員與英國友校的師生們合作開展了“月球隕石坑探究”的課題。我們使用近月軌道飛行器拍攝的月面照片，測量了直徑小于2km的月坑在月面的分布及密度，探究了隕石坑的類型與其直徑和深度間的關(guān)系，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)成功通過測量隕石坑直徑和日影長度測算出了月坑的深度。師生撰寫的相關(guān)論文不僅在全國青少年科技創(chuàng)新大賽中獲獎，而且在《School Science Review》和《Physics Education》上得到發(fā)表。

（責(zé)任編輯 張長喜）

圖3 中英天文合作“月球隕石坑探究課題